Bilim adamları Nano Ölçekte Termal Profilleri Kontrol Ediyor

Vipoyd

Vipoyd - Yeni Nesil Medya Platformu
Yönetici
#1
Bilim adamları Nano Ölçekte Termal Profilleri Kontrol Ediyor
KONULAR: Washington'daki Nano Ölçekli,
James Urton, Washington Üniversitesi'nden

David-J-Masiello-Notes.jpg

Washington Üniversitesi'nde kimya profesörü olan David J. Masiello'dan el yazısıyla yazılmış notlar. Kredi: David J. Masiello / Washington Üniversitesi

İnsan ölçeğinde, sıcaklığı kontrol etmek basit bir kavramdır. Kaplumbağalar sıcak tutmak için kendilerini güneş. Fırından yeni bir turtayı soğutmak için oda sıcaklığındaki tezgahın üzerine yerleştirin.

Nano ölçekte - 1 / 100'ün altındaki mesafelerde en ince insan kılının genişliği - kontrol sıcaklığı çok daha zordur. Nano ölçekli mesafeler o kadar küçüktür ki nesneler kolayca termal olarak birleştirilebilir: Bir nesne belirli bir sıcaklığa kadar ısınırsa, komşusu da artar.

Bilim adamları bu ısı kaynağı olarak bir ışık demeti kullandıklarında, ek bir zorluk söz konusudur: Isı yayılması sayesinde, ışın yolundaki malzemeler yaklaşık aynı sıcaklığa kadar ısınır ve ışın içindeki nesnelerin termal profillerini değiştirmeyi zorlaştırır. Bilim insanları, nano ölçekte termal manzaraları aktif olarak şekillendirmek ve kontrol etmek için hiçbir zaman tek başlarına ışık kullanamadılar.

En azından şu ana kadar.

ACS Nano dergisinin 30 Temmuz'da yayınlanan çevrimiçi bir makalesinde , bir araştırma ekibi, nano ölçekte tasarlanmış ve inşa edilmiş iki altın nanorod anteni aktif olarak ısıtmak için yakın kızılötesi bir lazer kullanan deneysel bir sistem tasarladıklarını ve test ettiklerini bildirmiştir. - farklı sıcaklıklara. Nanorotlar birbirine çok yakın, hem elektromanyetik hem de termal olarak bağlanmışlar. Yine de, Washington Üniversitesi, Rice Üniversitesi ve Temple Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından yönetilen ekip, 20 santigrat dereceye kadar çıkan çubuklar arasındaki sıcaklık farklarını ölçtü. Sadece lazerin dalga boyunu değiştirerek, çubuklar aynı malzemeden yapılmış olsa bile hangi nanorod'un daha soğuk ve hangisinin daha sıcak olduğunu değiştirebildiler.

“Bir masanın üzerine yan yana iki benzer nesne koyarsanız, normalde onların aynı sıcaklıkta olmasını beklersiniz. Aynısı nano ölçekte de geçerlidir. ”Dedi. Lider ilgili yazar, hem Moleküler ve Mühendislik Bilimleri Enstitüsü hem de Nano-Mühendislik Sistemleri Enstitüsü'ndeki bir kimya profesörü ve öğretim üyesi olan David Masiello. “Burada, aynı malzeme bileşimindeki iki eşleşmiş nesneyi aynı ışına maruz bırakabiliriz ve bu nesnelerden biri diğerinden daha sıcak olacaktır.”

Masiello'nun ekibi bu sistemi tasarlamak için teorik modellemeyi gerçekleştirdi. Rice Üniversitesi'nde kimya ve elektrik mühendisliği ve bilgisayar mühendisliği profesörü olan eş yazarı Stephan Link ve Temple Üniversitesi'nde doçentlik yapmak ve test etmek için kimya profesörü Katherine Willets ile birlikte çalıştı.

Sistemleri altından yapılmış iki nanorottan oluşuyordu - biri 150 nanometre uzunluğunda, diğeri 250 nanometre uzunluğunda ya da en ince insan kıllarından 100 kat daha ince. Araştırmacılar nanorotları birbirine yakın yerleştirdiler, uçtan uca gliserolle çevrili bir cam slayt üzerine yerleştirdiler.

Nanorod-Temperature.jpg

Bu şekil, iki nanorotun farklı sıcaklıklara ısıtıldığına dair kanıt göstermektedir. Araştırmacılar, ısıtılmış nanorotların ve etrafındaki gliserolün, fotonları yeşil ışık demetinden nasıl dağıldığına dair veri topladı. Beş grafik, dağınık ışığın yoğunluğunu beş farklı dalga boyunda gösterir ve ekler, dağınık ışığın görüntülerini gösterir. Oklar, tepe yoğunluğunun farklı dalga boylarında kaydığını, nanorodların farklı sıcaklıklara ısıtıldığının dolaylı bir işareti olduğunu göstermektedir. Credit: Bhattacharjee ve diğerleri, ACS Nano, 2019.

Altınları belirli bir sebepten seçtiler. Yakın kızılötesi bir lazer gibi enerji kaynaklarına cevap olarak, altın içindeki elektronlar kolayca “salınım yapabilir”. Bu elektronik salınımlar veya yüzey plazmon rezonansları ışığı verimli bir şekilde ısıya dönüştürür. Her iki nanorot altından yapılmış olmasına rağmen, farklı boyuta bağlı plazmonik polarizasyonları, farklı elektron salınım modellerine sahip oldukları anlamına geliyordu. Masiello'nun ekibi, eğer nanorod plazmonları aynı veya zıt fazlarla salınım yaparsa, farklı sıcaklıklara ulaşabileceklerini, yani termal difüzyonun etkilerini azalttığını hesapladı.

Link ve Willets grupları deney sistemini tasarladılar ve nanoroderlere yakın kızılötesi bir lazer parlatarak test ettiler. Kirişin etkisini iki dalga boyunda incelediler - biri nanorod plazmonlarının aynı fazda salınması, diğeri ise karşı faz için.

Ekip, nano ölçekte her bir nanorodun sıcaklığını doğrudan ölçemedi. Bunun yerine, ısıtılmış nanorotların ve çevresindeki gliserolün, fotonları ayrı bir yeşil ışık demetinden nasıl dağıldığına dair veri topladılar. Masiello'nun ekibi bu verileri analiz etti ve nanorotların, nanorotlar arasındaki sıcaklıktaki nano ölçekli farklılıklar nedeniyle, fotonları yeşil ışından farklı şekilde kırdığını keşfetti.

“Bu dolaylı ölçüm, aynı yakın kızılötesi ışınlara maruz kalsalar ve termal olarak birleşecek kadar yakın olduklarına rağmen, nanorotların farklı sıcaklıklara ısıtıldığını gösterdi.” Dedi. Kimya Bölümü.

Ekip ayrıca, yakın kızılötesi ışığın dalga boyunu değiştirerek hangi nanorod'un - kısa veya uzun - daha fazla ısındığını değiştirebildiklerini buldu. Lazer esasen hangi nanorod'un daha sıcak olduğunu değiştirmek için dalga boyunu değiştirerek ayarlanabilir bir “anahtar” olarak işlev görebilir. Nanorotlar arasındaki sıcaklık farkları, aralarındaki mesafelere bağlı olarak değişmekle birlikte, oda sıcaklığının 20 dereceye kadar yükseldi.

Takımın bulguları nano ölçekte sıcaklığı kontrol etmeye dayanan çeşitli uygulamalara sahiptir. Örneğin, bilim adamları küçük kimyasal molekülleri filtrelemek için kimyasal reaksiyonları nano ölçekli hassasiyetle ya da sıcaklıkla tetiklenen mikroakışkan kanalları kontrol eden malzemeler tasarlayabilirler.

Araştırmacılar, nanorotların kümeleri ve dizileri gibi daha karmaşık sistemleri tasarlamak ve test etmek için çalışıyorlar. Bunlar daha karmaşık modelleme ve hesaplamalar gerektirir. Ancak, bugüne kadar kaydedilen ilerleme göz önüne alındığında, Masiello teorik ve deneysel araştırma grupları arasındaki bu eşsiz ortaklığın ilerleme kaydetmeye devam edeceği konusunda iyimser.

Masiello, “Bu bir takım çalışmasıydı ve sonuçlar yıllarca sürdü, ancak işe yaradı” dedi.

West'in makaledeki ortak yazarları, şu anda Rice University'de Hindistan Mühendislik Bilimi ve Teknolojisi Enstitüsü'nde Shibpur ve Rich University'de araştırmacı Seyyed Ali Hosseini Jebeli'de eski bir araştırmacı olan Ujjal Bhattacharjee. Ortak yazarlar, UW Kimya Bölümü'ndeki doktora öğrencileri Harrison Goldwyn ve Elliot Beutler; Xiang-Tian Kong ve Zhongwei Hu, her ikisi de UW Kimya Bölümü'nde araştırma ortakları; ve şu anda Massachusetts Dartmouth Üniversitesi'nde kimya ve biyokimya profesör yardımcısı olan Rice'ta eski bir araştırma bilimcisi olan Wei-Shun Chang. Araştırma Ulusal Bilim Vakfı, Robert A. Welch Vakfı ve Washington Üniversitesi tarafından finanse edildi.

Yayın: Ujjal Bhattacharjee ve diğerleri, Termal Yakın Alanın Plazmon Hibridizasyonu ile Aktif Uzak Alan Kontrolü, ACS Nano (2019). DOI: 10.1021 / acsnano.9b04968
 
Üst